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多支不等高避雷针在防雷工程中的应用
作者: 高磊
2.1 现场情况介绍
有这么一座生产油漆涂料的钢结构厂房, 屋面是彩钢板。厂房长50米, 宽15米, 屋顶呈双坡形, 中间屋脊处高度为6米, 两边屋檐处高度为5米, 其外部形状如图2-1所示。

图2-1 厂房示意图
Graph 2-1 The building of workshop
该厂房生产并贮存油漆涂料等易燃易爆品, 其屋面的彩钢板厚度为0.5毫米。根据GB50057-94《建筑物防雷设计规范》( ) 中4.1.4条的规定: ”金属屋面的建筑物宜利用其屋面作为接闪器, 并应符合下列要求: ……金属板下面有易燃物品时, 其厚度, 铁板不应小于4mm”, 其厚度是不够的, 因为如果接闪的话, 0.5毫米的彩钢板很容易被雷电流击穿, 溶化的钢水进入室内, 可能点燃或引爆室内的易燃易爆品, 因此需要另外安装接闪器以代替彩钢板的屋顶接闪。
该厂房的钢架结构接地良好, 因此不需要增设接地装置, 只需要将接闪器直接连接到钢架结构上即可。下面是几种不同的防雷方案, 我们将它们进行比较:
2.2 用避雷带的防雷方案
一般最常规的做法, 是在该厂房屋面上布设避雷带, 形成网格。该厂房按照GB50057规范的规定属于第二类防雷建筑, 应当以10m×7.5m的网格布设避雷带, 共计使用避雷带240米, 经过厂房两边的钢架结构接地。避雷带在屋面上布设的平面示意图如图2－2所示。

图2-2 用避雷带对厂房进行保护
Graph 2-2 The protection of building via lightning belt

常规的做法是这样。可是, 这种布设避雷带的方法, 是不是最经济最节省的方法呢? 有没有其它方法, 能够在达到相同防雷效果的前提下, 降低工程经济成本并提高防雷安全度呢? 我们再试着探讨一下其它的防雷方案, 比如说, 用等高避雷针来做防护。
2.3 用等高避雷针的防雷方案
在本文中的例子, 如果用等高避雷针来保护的话, 经过计算, 比较合适的方法是在厂房的四角及两边的中间位置分别树立一支8.4米高的避雷针( 包括厂房高度) , 安装在厂房的钢结构上, 如图2－3所示( 其计算过程参考GB50057－94《建筑物防雷设计规范》( ) 中附录四”4、 矩形布置的四支等高避雷针的保护范围”, 在此不做赘述) 。

图2-3 用等高的避雷针对厂房进行保护
Graph 2-3 The protection of building via same-height lightning rods
采用这种避雷针的布设方法, 因为避雷针需要高出屋面三米多, 其施工难度较前一个方案大, 经济成本相比前一种方案要高; 而且这种避雷针使得厂房的最高高度增加了不少( 从6米增加到了8.4米) , 防雷安全度降低, 是不符合防雷工程防止或降低雷击风险的原则的。因为如果厂房内有电子信息系统, 这样高的避雷针, 其在引雷入地时产生的电磁脉冲辐射很容易对其构成威胁。因此这种方案是有较大缺陷的, 在实际工作中很少会这样做。
2.4 用多支不等高避雷针的防雷方案
按照GB50057中5.2.1条的规定: ”布置接闪器时, 可单独或任意组合使用滚球法、 避雷网……当球体只触及接闪器, 或只触及接闪器和地面, 而不触及需要保护的部位时, 则该部分就得到接闪器的保护。”根据这一规定, 我们尝试使用多支避雷针短针排成的阵列来防雷。其计算过程我们在2.5节中介绍。
新的设计, 取消厂房纵向三条50米长的避雷带, 保留横向六条15米长的避雷带, 然后在每条15米长避雷带的两端及中间位置, 将制作避雷带使用的镀锌扁钢向上翘起0.5米, 作为避雷短针使用, 排成阵列。因为该短针的长度很短, 因此能够直接采用扁钢来制作, 接地直接经过厂房的钢结构接地。其在屋顶上布设的平面示意图如图2－4所示, 其中, 点划线段是避雷带, 打叉处是用扁钢制作的避雷针短针:

图2-4 用避雷针短针对厂房进行保护的示意图一
Graph 2-4 The protection of building via short lightning rods array (1)
按照这种方法来布设避雷带, 所需要耗费的避雷带的数量为:
6×15＋18×0.5＝99米, 其数量只有原来的42％, 大大降低了工程成本。而且, 厂房的最高高度从6米升高为6.5米, 也是完全能够接受的。
考虑到GB50057中4.1.1条的规定: ”避雷针宜采用圆钢或焊接钢管制成, 其直径不应小于下列数值: 针长1m以下: 圆钢为12mm; 钢管为20mm……”, 最好用12mm的圆钢制作这18支短针。但即使这样, 其总成本也不会超过原来使用240米避雷带的一半。
还有另外一种做法, 只保留厂房长度方向上中间一条50米长的避雷带, 其余避雷带全部取消, 然后在如图2－5打叉处的位置上安装用圆钢制作的避雷短针。这样所需要耗费的材料为:
避雷带: 50米; 圆钢: 18×0.5米＝9米, 成本只有常规方案的大约四分之一。其平面示意图如图2－5所示:

图2-5 用避雷针短针对厂房进行保护的示意图二
Graph 2-5 The protection of building via short lightning rods array (2)
可见, 用避雷针短针和避雷带组合来防雷, 相比普通避雷带或避雷针在成本上具有较大的优势。可是在具体防雷效果上, 是不是也能达到一样的效果呢? 有些同志对此可能心存疑虑, 在此我们经过计算来消除她们的疑虑。
用避雷带也好, 避雷短针也好, 其目的都是为了代替彩钢板做接闪器, 保证其在雷击时不会接闪, 造成事故, 因此只要根据滚球法的计算理论, 这个虚拟的滚球接触不到彩钢板, 就能够认为这个防雷工程是安全的。
2.5 多支不等高避雷针保护范围的计算
为了简化计算过程, 我们假设先将该厂房沿它的屋脊分成两部分, 再将每一部分沿其长度方向分成均匀的五小块, 这样就把整个厂房分成了十个模块, 每个模块的形状和大小都完全一样, 长10米, 宽7.5米, 其顶面是个斜坡, 高的一条边, 其高度6米, 低的一条边, 其高度5米。在模块顶面的四个角上各有一支避雷针, 高出屋顶0.5米。其示意图如图2－6所示。
图2-6 用来进行避雷针保护范围计算的房屋模块
Graph 2-6 The model of the building for the calculation of protection area of lightning rods
到了这里, 这个问题就转变成用这屋顶上的四支不等高避雷针是否能把这座属于第二类防雷建筑的房屋模块保护起来的问题。
下面是我们应用该软件进行计算的过程:
取上图2-6所示的模块左下角的一点作为坐标系的原点, 则这四支避雷针的针尖坐标分别为( 0, 0, 5.5) , ( 0, 7.5, 6.5) , ( 10, 7.5, 6.5) , ( 10, 0, 5.5) , 模块的四个顶点, 其顶点坐标分别为( 0, 0, 5) , ( 0, 7.5, 6) , ( 10, 7.5, 6) , ( 10, 0, 5) 。因为是二级防雷建筑, 滚球半径取45米。模块的顶面是个斜坡面, 其高度从5米到6米, 设计保护高度暂定为5米。
接下来依次将这些参数输入该软件的参数输入窗体, 如图2－7所示:

图2-7 软件输入界面
Graph 2-7 The input interface of the software
输入完毕后进行计算, 如图2－8所示, 是软件输出界面:

图2-8 软件输出界面
Graph 2-8 The output interface of the software
从图2-8中可见, 四支避雷针和被保护物的范围都被绘制了出来, 得出的结论是”保护完全”, 其中雷击风险最大的一个点( 4.96 , 3.81) , 在图上用蓝色的标志标了出来, 这一点也是避雷针的保护高度与被保护物的顶面高度相差最小的地方, 但在这里避雷针的实际保护高度比被保护物的顶面高度依然高出了0.06米, 说明整个被保护物都位于这四支避雷针的保护范围之内。我们的软件还设计了这样的功能, 用户能够用鼠标对界面中的任何一个点进行点击, 在窗体标题栏中会显示出该点的安全系数, 供用户参考。
采用这种多支不等高的避雷针短针, 完全符合用滚球法计算保护范围的原则的, 而且在安全性和经济性方面, 相比单独避雷针或者避雷带, 具有不小的优势。采用我们的软件, 在帮助雷电防护工作人员进行防雷工程设计或检测、 验收方面, 都能够发挥很大的作用。

参考文献
〔1〕 国标GB50057-94《建筑物防雷设计规范》 ( )
〔2〕 梅卫群、 江燕如: 《建筑物防雷教程》 南京: 南京气象学院电子信息工程系